基于PS技術的深圳市地面沉降監測

周紅滿，胡金星，柳 想，任 鵬

（1.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；2.中科院深圳先進技術研究院地球空間信息技術實驗室，廣東深圳 518055）

地面沉降是沿海城市的主要地質災害之一。地面沉降的成因主要分為2種：自然因素引起的沉降和人為因素引起的沉降。自然地質因素主要是：地表松散地層或半松散地層的自固壓密、地質構造作用或地震、巖溶發育地區的巖溶塌陷等。人為活動因素主要是：大量開采地下資源，大規模工程建設，如地鐵建設、沿海城市的填海工程等［1］。地面沉降已成為城市化進程中普遍存在的環境地質問題，由此導致的環境影響和社會危害日漸突出且日趨嚴重，成為制約社會經濟可持續發展的重要地質災害之一。

運用合成孔徑雷達干涉測量技術（InSAR）及其差分技術（D－InSAR）進行地面微位移監測已經取得了不少令人矚目的應用成果，對不同地區地面形變監測的研究結果表明，合成孔徑雷達干涉測量及其差分技術在地震形變、冰川運移、活動構造、地面沉降及滑坡等研究與監測中有廣闊的應用前景［2］。但是由于時間失相干、空間失相干以及大氣效應的影響，極大地限制了InSAR及D－InSAR的測量精度［3］。為了提高測量精度，由A.Ferretti等人在2000年提出的一項InSAR領域的新技術—永久散射體（Permanent Scatterer，PS）干涉雷達測量技術［4－5］，目前已成為了一種新型的高精度形變監測技術。

1 點目標干涉測量分析技術

永久散射體干涉雷達技術（PSInSAR）是基于永久散射體（PS）提出來的，所謂永久性散射體是指某些地面物體對雷達波在相當長的時間內保持穩定的反射特性，不因時間和氣候的變化而變化。點目標干涉測量分析技術IPTA（Interferometric Point Target Analysis）是一種改進的PS技術，其優點在于：①對于郊區或者是鄉村的低相干區域，也可以提取足夠數量的PS點；②可以利用更多的干涉對，即使長基線的干涉對；③僅針對提取的點目標的時間維和空間維的特征進行分析。這種技術已經被應用于監測廣州市的地面沉降和香港國際機場的地面沉降。

本文利用點目標干涉測量分析法處理ASAR影像來得到深圳市城區的地面沉降圖。IPTA是永久散射體干涉測量技術之一。該技術僅對干涉圖中的點目標進行解譯，因此，長空間基線的干涉對也可以使用，甚至超過極限基線。

IPTA的干涉相位模型和傳統InSAR一樣，解纏的干涉相位（φunw）是由地形相位（φtopo）、地表視線向形變相位（φdef）、大氣擾動相位（φatm）和系統熱噪聲相位（φnoise）組成，即

其中，地形相位與垂直基線成正比。線性回歸與垂直基線有關的部分。回歸直線的斜率即為高程糾正值。因此，假設形變速率是一個定值的前提下，對短空間基線的干涉對中的點目標進行基于垂直基線和時間的二維回歸分析。然后，對大數據，利用纏繞相位進行非線性回歸。但是，對于小數據集，空間相位解纏要優于非線性回歸。殘余相位包括大氣延遲相位、非線性形變相位和噪聲相位。根據各部分相位在時域和空間域的不同特性，迭代方法用于分離各不同參數同時精化個參數，進而精化整個相位模型。

圖1給出了IPTA方法的處理流程［6］。包括SAR SLC影像配準、候選點目標的選取、初始高程估計、初始基線計算、干涉點分析和模型精化。而結果包括高程糾正值、線性形變速率、大氣相位、精化的空間基線、相位質量信息（時間相干性）和非線性形變歷史。IPTA的一個重要步驟是不同參數的逐步迭代提高精度。主要提高包括低精度DEM的高程糾正、空間基線的精化和點目標列表的擴充。

圖1 IPTA方法處理流程

之前的IPTA研究將地面控制點和IPTA結果比較，已證實平均形變速率的精度為1～2mm/a，而時間序列的形變精度為2～3mm［4－5，7］。

2 研究方法

2.1 ASAR數據和數據預處理

本文采用的試驗數據為2008－01至2010－07期間獲取的20幅深圳地區ENVISAT ASAR數據（VV極化、成像模式為IS2），研究區域如圖2所示。綜合考慮時間基線、垂直空間基線、多普勒基線等因素，選取時間為2009－03－04的影像作為主影像，表1顯示了20個干涉對的空間垂直基線、時間基線和多普勒基線。為了從干涉相位中去除地形相位分量，使用了空間分辨率為3rad/s的SRTM DEM數據。

表1 ENVISAT ASAR影像數據參數

續表1

2.2 深圳市地表沉降監測結果

利用IPTA方法對表1中20景ASAR數據進行處理得到了相干點目標的雷達視線方向的形變，圖3給出了2008－01到2010－07深圳市城區在雷達視線方向的平均形變速率疊加在Google earth衛星圖上的效果。可以看出相干點目標分布非常密集但不均勻，在密集建筑群體、道路等地表穩定后向散射特征區域，相干點非常密集，而在一些易變化的反射體，如水體、植被覆蓋區等，穩定點目標很少。這說明了選取的相干點目標的正確性。實驗區內共監測到673 133個相干點，平均密度大約為200個/km2，點密度遠高于水準測量觀測點的密度。相干目標的沉降場如圖3中所示圖例中色標顯示。最大的沉降速率為－17.9～－10mm/a，最大的抬升速率為6～9.8mm/a。根據Q.Zhao，2009，由地殼運動引起的地面形變速率大約為5mm/a。從圖中可以看到研究區內有些地區存在嚴重的地面形變，這些區域的平均形變速率是正常的地殼運動引起的地面形變速率的2～3倍。

圖4是相對于2008－01－09的19景雷達視線方向的地面沉降速率圖，該圖反映自2008－01－09至2010－07－07，深圳市城區沉降速率場的時間維跨度為2a的演變過程，每景圖顯示的是視線向沉降速率累加值。

圖4 相對于2008－01－09的19景雷達視線方向的地面沉降速率圖

因為本文中采用的影像只有20景，數據量較少，為了去除時間維不穩定的點目標，設置了較高的后向散射和較低的光譜相位差異，而使得填海區域檢測到很少的相干點。但填海區的沉降趨勢還是很明顯，主要集中在寶安區的西北部，與東莞市相鄰的茅洲河附近，以及寶安中心區、南山區、福田區、羅湖區也存在普遍的地面沉降現象。整體的地面沉降趨勢與之前的研究成果一致。

圖5給出了深圳市與東莞市相鄰的茅洲河附近的地面沉降圖，可以看到沿茅洲河出現較長的條帶狀沉降。由于茅洲河附近土質松軟，且受河水長期沖刷，導致該區域地面沉降現象明顯。

從圖6中可以看到有個較長的條帶狀沉降，且與深圳地鐵1號線路相符，由此可推斷該條帶沉降是由于地鐵修建引起的。另外有3個明顯的沉降漏斗位于寶安區和南山區，位于西鄉街道的沉降漏斗半徑大約為500m，漏斗中心部分沉降點平均形變速率達到－14～－10mm/a，圖7為該沉降漏斗沿圖6中黑線方向的剖面散點圖，可清楚反映出漏斗的形狀。

3 結論與展望

通過IPTA技術和ASAR影像得到深圳市城區的地面沉降，本文得到以下幾點結論：

1）利用ASAR影像數據得到了2008—2010年深圳市城區的地面沉降圖。最大沉降速率為－17.9～－10mm/a。最大的抬升速率為6～9.8mm/a。證明深圳市城區存在嚴重的地面沉降，與前人的結論一致。

2）深圳市城區的地面沉降主要集中在寶安區西北部和南部的填海區、南山填海區、鹽田區、福田區。填海區由于地基不扎實，土質松軟，故沉降較嚴重。檢測結果與實際情況相符，證明了檢測結果的正確性。

本文定量地給出了深圳市城區的地面沉降，盡管沒有水準數據和GPS數據與IPTA的測量結果做比較，但地鐵沿線嚴重的地面沉降，以及發生的地面塌陷事件與現實相符，都證明了測量結果的精確。同時，也證明了IPTA方法能夠很好地應用于城市地面沉降監測，是地表緩慢形變研究中實施大范圍、高精度和快速監測的一項非常有前景的技術。

［1］何慶成，葉曉濱，李志明，等.我國地面沉降現狀及防治戰略設想［J］.高校地質學報，2006，12（2）：161－168.

［2］朱大奎.深圳海岸海洋環境與空間規劃研究［J］.第四紀研究，2005，23（1）：45－53.

［3］Crosetto M，Crippa B，Biescas E，et al.State of the Art of Land Deformation Monitoring Using Differential SAR Interferometry［R］.ISPRS Hannover Workshop 2005：High Resolution Earth Imaging for Geospatial Information 17－20May 2005，2005.

［4］Ferretti A，Claudio P，Rocca A.Nonlinera subsidence rate estimation using Permanent scatters in differential SAR interferometry［J］.IEEE Transaetions on Geoseienee and Remote sensing，2000，38（5）：2202－2212.

［5］Ferretti A，P rati C，Rocca F.Permanent Scatterers in SAR Interferometry［J］.IEEE TGARS，2001，39（1）：8－20.

［6］Werner，C，et al.Interferometric point target analysis for deformation mapping［R］.Toulouse，France，Proc.IGARSS，2003.

［7］Zhao Q，Lin H，Jiang L，et al.A study of ground deformation in the Guangzhou urban area with Persistent Scatterer Interferometry［J］.Sensors，2009，9（1）：503－518.

［8］劉國祥，丁曉利，陳永奇.使用衛星雷達差分干涉測量技術測量香港赤臘角機場沉降場［J］.科學通報，2001，46（14）：1224－1228.

［9］Zhao Qing，Lin Hui，Chen Fulong，et al.InSAR Detection of Residual Settlement of Ocean Reclamation Areas in Shenzhen，China［C］.Shenzhen：2011 19th International Conference on Geoinformatics，2011.